La stampa 3D mostra il potenziale per trattare le lesioni cerebrali

Secondo l’Università di Oxford, una tecnica innovativa sviluppata dai suoi ricercatori potrebbe un giorno fornire riparazioni su misura per coloro che soffrono di lesioni cerebrali. I ricercatori hanno dimostrato, per la prima volta, che le cellule neurali possono essere stampate in 3D per imitare l’architettura della corteccia cerebrale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.

Le lesioni cerebrali, comprese quelle causate da traumi, ictus e interventi chirurgici per tumori cerebrali, in genere provocano danni significativi alla corteccia cerebrale (lo strato esterno del cervello umano), portando a difficoltà di cognizione, movimento e comunicazione. Ad esempio, ogni anno, circa 70 milioni di persone, a livello globale, soffrono di lesioni cerebrali traumatiche (TBI), di cui 5 milioni sono gravi o fatali. Attualmente non esistono trattamenti efficaci per le lesioni cerebrali gravi, che comportano gravi ripercussioni sulla qualità della vita.

Le terapie rigenerative dei tessuti, in particolare quelle in cui ai pazienti vengono montati impianti derivati ​​dalle proprie cellule staminali, potrebbero rappresentare una strada promettente per il trattamento delle lesioni cerebrali in futuro. Finora, tuttavia, non esisteva alcun metodo per garantire che le cellule staminali impiantate imitassero l’architettura del cervello.

In questo nuovo studio, i ricercatori dell’Università di Oxford hanno fabbricato un tessuto cerebrale a due strati stampando in 3D cellule staminali neurali umane. Quando sono state impiantate in fettine di cervello di topo, le cellule hanno mostrato un’integrazione strutturale e funzionale convincente con il tessuto ospite.

“Questo progresso segna un passo significativo verso la fabbricazione di materiali con la struttura e la funzione complete dei tessuti cerebrali naturali. Il lavoro fornirà un’opportunità unica per esplorare il funzionamento della corteccia umana e, a lungo termine, offrirà speranza alle persone che subiscono lesioni cerebrali”, ha affermato l’autore principale, il dottor Yongcheng Jin, del Dipartimento di Chimica.

La struttura corticale è stata costituita da cellule staminali pluripotenti indotte dall’uomo (hiPSC), che hanno il potenziale per produrre i tipi di cellule presenti nella maggior parte dei tessuti umani. Un vantaggio chiave dell’utilizzo delle hiPSC per la riparazione dei tessuti è che possono essere facilmente derivate da cellule raccolte dai pazienti stessi e quindi non innescherebbero una risposta immunitaria.

Le hiPSC sono state differenziate in cellule progenitrici neurali per due diversi strati della corteccia cerebrale, utilizzando combinazioni specifiche di fattori di crescita e sostanze chimiche. Le cellule sono state poi sospese in soluzione per generare due “bioinchiostri”, che sono stati poi stampati per produrre una struttura a due strati. In coltura, i tessuti stampati hanno mantenuto la loro architettura cellulare stratificata per settimane, come indicato dall’espressione di biomarcatori specifici dello strato.

Quando i tessuti stampati in 3D sono stati impiantati nel cervello di topo, hanno mostrato una forte integrazione, come dimostrato dalla proiezione dei processi neurali e dalla migrazione dei neuroni attraverso il confine dell’impianto-ospite. Le cellule impiantate hanno mostrato anche un’attività di segnalazione, correlata a quella delle cellule ospiti. Ciò indica che le cellule umane e di topo comunicavano tra loro, dimostrando un’integrazione funzionale e strutturale.

I ricercatori intendono ora perfezionare ulteriormente la tecnica di stampa delle goccioline per creare complessi tessuti della corteccia cerebrale multistrato che imitano in modo più realistico l’architettura del cervello umano. Oltre al loro potenziale per riparare le lesioni cerebrali, questi tessuti ingegnerizzati potrebbero essere utilizzati nella valutazione dei farmaci, negli studi sullo sviluppo del cervello e per migliorare la nostra comprensione delle basi della cognizione.

Il nuovo progresso si basa sulla decennale esperienza del team nell’inventare e brevettare tecnologie di stampa 3D per tessuti sintetici e cellule in coltura.

“La nostra tecnica di stampa di gocce fornisce un mezzo per progettare tessuti 3D viventi con le architetture desiderate, il che ci avvicina alla creazione di trattamenti di impianto personalizzati per lesioni cerebrali”, ha affermato l’autore senior, la dott.ssa Linna Zhou, del Dipartimento di Chimica.

“L’uso di fette di cervello vivente crea una potente piattaforma per interrogarsi sull’utilità della stampa 3D nella riparazione del cervello. È un ponte naturale tra lo studio dello sviluppo delle colonne corticali stampate in 3D in vitro e la loro integrazione nel cervello in modelli animali di lesioni”, ha affermato l’autore senior e professore associato, Francis Szele, del Dipartimento di Fisiologia, Anatomia e Genetica.

“Lo sviluppo del cervello umano è un processo delicato ed elaborato con una coreografia complessa. Sarebbe ingenuo pensare di poter ricreare l’intera progressione cellulare in laboratorio. Tuttavia, il nostro progetto di stampa 3D dimostra progressi sostanziali nel controllo del destino e della disposizione delle iPSC umane per formare le unità funzionali di base della corteccia cerebrale”, ha affermato l’autore senior, il professor Zoltán Molnár, del Dipartimento di Fisiologia, Anatomia e Genetica.

“Questo sforzo futuristico avrebbe potuto essere raggiunto solo grazie alle interazioni altamente multidisciplinari incoraggiate dalla Martin School di Oxford, che coinvolgevano sia il Dipartimento di Chimica di Oxford che il Dipartimento di Fisiologia, Anatomia e Genetica”, ha affermato l’autore senior, il professor Hagan Bayley, del Dipartimento di Chimica.

In relazione alla stampa 3D legata al cervello, i ricercatori della Monash University in Australia hanno recentemente stampato in 3D reti di cellule cerebrali viventi.